JP2004162983A - ヒートポンプ組込式貯湯給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクの温水の温度が希望給湯温度に満たない約３０〜４０℃の範囲であっても、水でうすめて一旦約３０℃までに下げることなく、希望給湯温度に給湯できる貯湯給湯器の提供。
【解決手段】太陽熱集熱器１と貯湯タンク２とが、熱交換系を介して繋がっている貯湯給湯器３０であって、前記熱交換系は、次のａ）〜ｄ）のヒートポンプサイクルを備え、貯湯タンク２内の湯水温度を高温度に昇温・維持できる貯湯給湯器。ヒートポンプサイクル：ａ）太陽熱集熱器１で集熱した熱を蒸発器１１で冷媒を用いて汲み上げる（冷媒のガス化）、ｂ）圧縮機（商用電源で稼動）１２によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させる、ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器１３で熱を汲み上げる（冷媒ガスの液化）、ｄ）前記液化冷媒を膨張弁１４で膨張させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冬季や日射が不足する雨天・曇天の場合も、貯湯タンクに貯める温水の温度を希望温度以上の高い温度に昇温・維持させ、希望温度に給湯できるヒートポンプ式貯湯給湯器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の（太陽熱利用型）貯湯給湯器の一例である。この貯湯給湯器は、屋根上などの日当たりの良い場所に設置した太陽熱集熱器１と地上に設置した貯湯タンク２とを備え、貯湯タンク２の後流には瞬間湯沸器などの補助熱源器７を配置している。貯湯タンク２と太陽熱集熱器１との間には循環配管（往き管３ａ及び戻り管３ｂ）で連結した循環経路が形成され、その循環経路内に熱媒体を充填している。日射があるときは循環ポンプ４を稼動させ、太陽熱集熱器１で熱された熱媒体を循環させて、貯湯タンク２内部に設けた熱交換器６を介して貯湯タンク２中の水を間接的に温める。日射が不足する雨天・曇天や冬季などで、貯湯タンク２内の湯水温度が上昇しない場合には、補助熱源器（瞬間湯沸器）７で加熱・追焚して給湯する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の補助熱源器組込型貯湯給湯器の場合は、補助熱源器の最小温度上昇分（熱量）が小さくないので、貯湯タンク２内の湯水温度が、希望給湯温度より若干低い温度（約３０〜４０℃程度の範囲）にあるときに、（補助熱源器を運転すると、出湯温度が熱くなりすぎるので）貯湯タンク２からの湯水を一旦水でうすめて約３０℃にまで下げ、その後に補助熱源器７で追い炊きして希望温度に昇温し、給湯・自動湯張りをしなければならない。そのため、エネルギーの無駄が生じる。
【０００４】
本発明は、瞬間湯沸器のような補助熱源器を用いることなく、希望給湯温度で給湯できる貯湯給湯器を提供すること、すなわち、貯湯タンクの温水の温度が希望給湯温度に満たない約３０〜４０℃の範囲であっても、これを水でうすめて一旦約３０℃までに下げることなく、希望給湯温度に給湯できる貯湯給湯器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では次の構成をとった。すなわち、本発明は、先ずは、
太陽熱集熱器１と貯湯タンク２とが、熱交換系を介して繋がっている貯湯給湯器３０であって、前記熱交換系は、次のａ）〜ｄ）のヒートポンプ（又はヒートポンプサイクル）を備えていて、貯湯タンク２内の湯水温度を高温度に昇温・維持できるヒートポンプ式貯湯給湯器３０である。
ヒートポンプサイクル：
ａ）太陽熱集熱器１で集熱した（低質な）熱を蒸発器１１で冷媒を用いて汲み上げる（冷媒のガス化）；
ｂ）圧縮機（通常は、商用電源で稼動）１２によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させる；
ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器１３で熱を汲み上げる（冷媒ガスの液化）；
ｄ）前記液化冷媒を膨張弁１４で膨張させる。
【０００６】
ここで、上記太陽熱集熱器１に代えて、燃料電池における電池部もしくは改質部の廃熱回収部、あるいは太陽電池などを用いることができる。
すなわち、本発明は、（排熱などの低質な）熱の発生部と貯湯タンク２とが、熱交換系を介して繋がっている貯湯給湯器４０であって、前記熱交換系は、次のａ）〜ｄ）のヒートポンプ（又はヒートポンプサイクル）を備えており、貯湯タンク２内の湯水温度を高温度に昇温・維持できるヒートポンプ式の貯湯給湯器４０でもある。
ヒートポンプサイクル：
ａ）熱の発生部で発生した熱を蒸発器１１で冷媒を用いて汲み上げる（冷媒のガス化）；
ｂ）圧縮機１２によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させる；
ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器１３で熱を汲み上げる（冷媒ガスの液化）；
ｄ）前記液化冷媒を膨張弁で膨張させる。
上記熱発生部は、燃料電池における電池部もしくは改質部の廃熱回収部、あるいは太陽電池などである。
【０００７】
なお、ヒートポンプサイクルにおける蒸発器とは、太陽熱集熱器１からの熱エネルギーを蒸発潜熱の形で冷媒に汲み上げる作用を有する装置（低温側熱交換器）であり、また、凝縮器とは、冷媒ガスの顕熱及び凝縮潜熱によって貯湯タンクの湯水を温める高温側熱交換器のことである。
【０００８】
【作用】
本発明の貯湯給湯器では、瞬間湯沸器などの補助熱源器を使用せず、代わりにヒートポンプによる熱の汲上げを利用し（エネルギー源は商用電源）、貯湯タンクの湯水温度が希望給湯温度に満たない約３０〜４０℃の場合も、これを一旦水でうすめて約３０℃にまで下げることなく、直接に温めて希望給湯温度以上に加温できるので、エネルギーの無駄がない。
また、ここで利用するヒートポンプの蒸発器（低温側熱交換器）では、エネルギー源として、太陽熱集熱器で温めた温水や、太陽電池、燃料電池等からの排熱や不安定な熱発生部からの低質な熱を利用するので、大気温度からの汲上げに比べて、汲上げ温度差を小さくすることができ、ヒートポンプサイクルのエネルギー効率は上がる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を更に具体的に説明する。
図１は、本発明の一例のヒートポンプ組込式（太陽熱集熱器利用型）貯湯給湯器である。図示するように、太陽熱温水器側では、太陽エネルギーを集熱する太陽熱集熱器１、熱媒体のバッファータンク５、熱媒体を強制循環させる循環ポンプ４、及び蒸発器（低温側熱交換器）１１が配置されており、往き管３ａ及び戻り管３ｂで連結した循環経路の中を熱媒体を強制循環させる。そして、
ａ）太陽熱集熱器１で集熱した低質な熱を蒸発器（低温側熱交換器）１１で冷媒を用いて汲み上げる（冷媒のガス化）。
つづいて、
ｂ）圧縮機（通常は、商用電源で稼動）１２によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させ；
ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器（高温側熱交換器）１３で熱を汲み上げ（冷媒ガスの液化）；
ｄ）前記液化冷媒を膨張弁１４で膨張させる；
以上のヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプにより、商用電源からの電気エネルギーによって、凝縮器（高温側熱交換器）１３において、冷媒ガスの顕熱及び凝縮潜熱によって貯湯タンクの湯水を加熱する。
【００１０】
また、貯湯タンク２の下部には、給水源からの給水配管１５が配され、その給水配管１５からはバイパスパイプ１６が分岐して、貯湯タンク２の上部には貯湯タンク出口側パイプ１７が接続され、その貯湯タンク出口側パイプ１７とバイパスパイプ１６との合流部には、湯水混合三方弁１８を設けていて、希望給湯温度で給湯可能である。
【００１１】
コントローラ２１は、太陽熱集熱器１の集熱量によってヒートポンプサイクルの運転を制御すると同時に、給水配管１５から分岐したバイパスパイプ１６と貯湯タンク出口側パイプ１７との合流部の湯水混合三方弁１８を調整して、混合湯の温度を調整し、希望給湯温度に給湯する。
【００１２】
なおここで、ヒートポンプサイクル系の凝縮器（高温側熱交換器）１３は、貯湯タンク内部熱交換方式をとっているが、貯湯タンク２の外部に配置した外部熱交換方式でもよい。そのときは貯湯タンク２内の水と熱交換するために、貯湯タンク２下部から貯湯タンク２内の水を引き抜き、循環ポンプ４を介して凝縮器（高温側熱交換器）１３に水を循環させ、貯湯タンク２上部に湯水を戻す構造とすることができる。
【００１３】
また、本発明で用いる熱交換器、配管又は貯湯タンク等の材質としては、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鉄鋼材等の金属類がある。用いる冷媒や熱媒体により適宜選ぶ。使用温度・圧力によっては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブデン、塩化ビニル等プラスチック類も使用できる。
【００１４】
ヒートポンプは、圧縮機の種類によりピストン式、ロータリー式、スクロール式、スクリュー式、遠心式等があり、いずれも用いることができる。また、冷媒はＣＦＣ（クロロ・フルオロ・カーボン）、ＨＣＦＣ（ハイドロ・クロロ・フルオロ・カーボン）、ＨＦＣ（ハイドロ・フルオロ・カーボン）等のフロン系冷媒のほか、二酸化炭素やアンモニア等の自然冷媒がある。
循環ポンプは、種々の温水ポンプが使用できる。メンテナンス性を考慮するとマグネット式等のシールレスポンプが好ましい。
【００１５】
図２は、他の例の貯湯給湯器で、固体高分子型家庭用定置型の燃料電池を利用した貯湯給湯器である。燃料電池側では、図示するように、都市ガスから水素（燃料電池の燃料）を得るための改質器８と、空気中の酸素を供給するためのブロワ１９と、固体高分子型燃料電池（電池部）９と、上記改質器８及び上記電池部９から排熱を汲み上げる蒸発器（低温側熱交換器）１１とが配置され、循環経路の中を熱媒体を強制循環させている。そして、
ａ）燃料電池側で発生した（低質な）排熱を蒸発器（低温側熱交換器）１１で冷媒を用いて汲み上げ（冷媒のガス化）；
つづいて、
ｂ）圧縮機（通常は、商用電源で稼動）１２によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させ；
ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器（高温側熱交換器）１３で熱を汲み上げ（冷媒ガスの液化）；
ｄ）前記液化冷媒を膨張弁１４で膨張させる；
以上のヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプにより、商用電源からの電気エネルギーによって、凝縮器（高温側熱交換器）１３において、冷媒ガスの顕熱及び凝縮潜熱によって貯湯タンクの湯水を加熱する。
【００１６】
なお、コントローラ２１は、固体高分子型燃料電池（電池部）９の運転及びヒートポンプの運転制御を行い、固体高分子型燃料電池（電池部）９からの排熱量に応じたヒートポンプ運転を制御する。また貯湯タンク２内の湯水温度を常時監視し、適量の湯量及び湯水温度を確保するとともに、リモコン２０にて設定した給湯温度（希望給湯温度か、それよりも１〜２℃高い温度）の給湯が可能なように、貯湯タンク２内の湯と、給水源からの水とを湯水混合三方弁１８の開度を調整する。
【００１７】
燃料電池について説明する。供給された都市ガスは改質器８に導入され、水素（固体高分子型燃料電池の燃料の一つ）へと改質され、ブロワ１９からの（空気中の）酸素と共に固体高分子型燃料電池（電池部）９に導かれて発電を行う。このとき、固体高分子型燃料電池（電池部）９から排熱が発生するので、この排熱をヒートポンプサイクルの蒸発器１１に導入して利用する。
【００１８】
発電能力及びその排熱量が各々１ｋＷの固体高分子型燃料電池を２４時間連続して運転すると、後者の排熱量だけで３６００ｋＪ／ｈとなり、この排熱量はタンク（３００Ｌ）中の３００Ｌの水の温度を６９℃（３６００×２４÷３００÷４．２）だけ温度上昇させる能力がある。ところが、固体高分子型燃料電池を作動させる最適温度は約７０℃であるため、貯湯タンク２で貯える湯水温度は（前記温度よりも約１０℃低い）高々６０℃程度が限界であり、この温度レベルは十分に満足できる温度ではない。需要を十分に満たすために貯湯タンクの容量を更に大きくすることも考えられるがよい方法とは言えない。更に高い温度の湯を蓄えるには、別途の加熱手段が必要性となる。
【００１９】
そこで、図２に示したように、排熱回収部にヒートポンプサイクルを付加する。その運転条件により貯湯タンク２内の湯水温度を９０℃程度の高温にすることも可能であり、また、直接大気熱からヒートポンプで熱を汲み上げる場合よりも、高い温度の熱源から汲み上げることができ、ヒートポンプサイクルの効率を高めることができる。
【００２０】
給湯する際は、貯湯タンク２内の湯温が高温になっているので、貯湯タンク出口側パイプ１７とバイパスパイプ１６との合流部における湯水混合三方弁１８を調整するだけで、希望給湯温度で給湯できる。
【００２１】
なお、図２の例は、固体高分子型燃料電池の例であるが、これに代えて、太陽電池でもよい。また、太陽電池と太陽熱温水器のハイブリッドシステムであってもよい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る貯湯給湯器によれば、瞬間湯沸器のような補助熱源器を用いることなく、希望給湯温度で給湯できる貯湯給湯器を提供できる。換言すれば、貯湯タンクの温水の温度が希望給湯温度に満たない約３０〜４０℃の範囲であっても、これを水でうすめて一旦約３０℃までに下げることなく、希望給湯温度で給湯できるので、エネルギーの無駄がない。また、二酸化炭素の発生量を低減でき地球環境に優しい。また、補助熱源器による追焚き不要となるため、温度制御のための構造やシステムも単純になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の貯湯給湯器（太陽熱集熱器利用型）。
【図２】本発明の他例の貯湯給湯器（燃料電池利用型）。
【図３】従来例の（太陽熱利用型）貯湯給湯器。
【符号の説明】
１：太陽熱集熱器 ２：貯湯タンク
３ａ：往き管 ３ｂ：戻り管
４：循環ポンプ ５：バッファータンク
６：熱交換器 ７：補助熱源器（瞬間湯沸器）
８：改質部（改質器） ９：電池部
１１：蒸発器（低温側熱交換器） １２：圧縮機
１３：凝縮器（高温側熱交換器） １４：膨張弁
１５：給水配管 １６：バイパスパイプ
１７：貯湯タンク出口側パイプ １８：湯水混合三方弁
１９：ブロワ ２０：リモコン
２１：コントローラ
３０：貯湯給湯器（太陽熱利用型）
４０：貯湯給湯器（燃料電池利用型）
ＨＰ：ヒートポンプ（ヒートポンプサイクル）

Claims (3)

1. 太陽熱集熱器と貯湯タンクとが、熱交換系を介して繋がっている貯湯給湯器であって、
   前記熱交換系は、次のａ）〜ｄ）のヒートポンプを備えている貯湯給湯器。
   ａ）太陽熱集熱器で集熱した熱を蒸発器で冷媒を用いて汲み上げる（冷媒のガス化）；
   ｂ）圧縮機によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させる；
   ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器で熱を汲み上げる（冷媒ガスの液化）；
   ｄ）前記液化冷媒を膨張弁で膨張させる。
2. 熱の発生部と貯湯タンクとが、熱交換系を介して繋がっている貯湯給湯器であって、
   前記熱交換系は、次のａ）〜ｄ）のヒートポンプを備えている貯湯給湯器。
   ａ）熱の発生部で発生した熱を蒸発器で冷媒を用いて汲み上げる（冷媒のガス化）；
   ｂ）圧縮機によって前記冷媒ガスを昇圧・昇温させる；
   ｃ）貯湯タンク側に設けた凝縮器で熱を汲み上げる（冷媒ガスの液化）；
   ｄ）前記液化冷媒を膨張弁で膨張させる。
3. 熱発生部は、燃料電池における電池部もしくは改質部の廃熱回収部であるか、あるいは太陽電池である、請求項２の貯湯給湯器。

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